Java 非对称加密算法RSA实现详解

什么是非对称加密算法？

非对称加密算法指的是在加密和解密过程中分别使用两个不同的密钥，即公钥和私钥。公钥可以公开，任何人都可以使用公钥对信息进行加密，但只有私钥持有者才能解密被加密的信息。非对称加密算法具有安全性高、密钥分配方便等优点，因此被广泛应用于数据传输、数字证书等场景。

RSA算法简介

RSA算法是一种典型的非对称加密算法。它是由Ron Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman三人所提出的，RSA算法的安全性基于费马小定理和欧拉定理两个数学问题。RSA算法常用于数字签名、加密通信等领域。

RSA算法的公钥由两个参数构成：模数n和公钥指数e。私钥由两个参数构成：模数n和私钥指数d。

RSA算法过程如下：

1. 生成两个不同的大质数p和q
2. 计算它们的乘积n=p*q
3. 计算欧拉函数φ(n)=(p-1) * (q-1)
4. 随机选择一个整数e，1 < e < φ(n)，且e与φ(n)互质
5. 计算d，满足e*d ≡ 1(mod φ(n))，即d是e的模 φ(n)的乘法逆元素
6. 公钥为(n, e)，私钥为(n, d)
7. 加密和解密时，利用公钥和私钥进行加密和解密

Java实现RSA算法

Java提供了支持RSA算法的包：java.security。在该包中，已经实现了RSA算法的加密和解密过程。下面我们通过Java代码，详细讲解RSA算法的实现过程。

生成RSA密钥对

RSA算法需要公钥和私钥两个参数。在Java中，可以通过以下代码，生成RSA密钥对。

KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
keyPairGenerator.initialize(1024);
KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();

代码中，我们使用KeyPairGenerator类生成RSA密钥对，指定密钥长度为1024位。使用generateKeyPair()方法可以生成一个包含公钥和私钥的KeyPair对象。接着，我们可以通过getPublic()和getPrivate()方法获取公钥和私钥。

RSA公钥加密和私钥解密

在RSA算法中，公钥加密和私钥解密是常见的使用方式。在Java中，可以通过以下代码，实现RSA公钥加密和私钥解密。

String inputStr = "Hello, RSA!";
byte[] inputData = inputStr.getBytes();

Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
byte[] encrypted = cipher.doFinal(inputData);

cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
byte[] decrypted = cipher.doFinal(encrypted);

String outputStr = new String(decrypted);
System.out.println(outputStr);

上面代码中，首先我们创建一个字符串，即将要进行加密的明文。然后将其转换为字节数组后，通过Cipher类的getInstance()方法得到一个RSA的Cipher实例。使用Cipher实例的init()方法对其进行初始化，指定加密模式和密钥（这里是公钥）。接着，我们调用doFinal()方法进行加密操作，将加密后的结果保存为一个字节数组。

接下来，我们利用私钥对密文进行解密操作。同上，我们将解密后的结果保存为一个字节数组，并通过字符串构造函数将其转换为字符串。最后，我们通过System.out.println()语句将输出解密后的明文。

RSA私钥加密和公钥解密

一般情况下，使用RSA算法时，我们采用的都是公钥加密和私钥解密的方式，因为私钥具有保密性。但在某些特定场景下，也可能需要采用私钥加密和公钥解密的方式。在Java中，可以通过以下代码，实现RSA私钥加密和公钥解密。

String inputStr = "Hello, RSA!";
byte[] inputData = inputStr.getBytes();

Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey);
byte[] encrypted = cipher.doFinal(inputData);

cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicKey);
byte[] decrypted = cipher.doFinal(encrypted);

String outputStr = new String(decrypted);
System.out.println(outputStr);

计算机代码是可以被扩展的，RSA也一样。在Java中，也提供了其他实现RSA算法的扩展库，例如Bouncy Castle库。使用Bouncy Castle库可以更加灵活、高效的进行RSA算法的实现。

示例说明

示例一：公钥加密，私钥解密

下面是一个简单的Java示例，演示了RSA算法的公钥加密和私钥解密过程。

import java.security.*;

import javax.crypto.*;
import java.util.*;

public class RSAExample1 {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 生成RSA密钥对
            KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
            keyPairGenerator.initialize(1024);
            KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
            PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
            PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();

            // 明文字符串
            String inputStr = "Hello, RSA!";

            // 加密
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
            byte[] encrypted = cipher.doFinal(inputStr.getBytes());

            // 解密
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
            byte[] decrypted = cipher.doFinal(encrypted);

            String outputStr = new String(decrypted);
            System.out.println(outputStr);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

示例二：私钥加密，公钥解密

下面是一个简单的Java示例，演示了RSA算法的私钥加密和公钥解密过程。

import java.security.*;

import javax.crypto.*;
import java.util.*;

public class RSAExample2 {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 生成RSA密钥对
            KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
            keyPairGenerator.initialize(1024);
            KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
            PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
            PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();

            // 明文字符串
            String inputStr = "Hello, RSA!";

            // 加密
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey);
            byte[] encrypted = cipher.doFinal(inputStr.getBytes());

            // 解密
            cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicKey);
            byte[] decrypted = cipher.doFinal(encrypted);

            String outputStr = new String(decrypted);
            System.out.println(outputStr);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

总结

本文详细介绍了RSA算法的实现过程。我们首先了解了非对称加密算法的基本概念和RSA算法的原理。接着，我们通过Java代码示例，详细讲解了RSA算法生成密钥对、公钥加密和私钥解密、私钥加密和公钥解密的实现过程。实践证明，RSA算法应用广泛，使用Java实现RSA算法也很方便，上手难度较低。